JP2010034560A - 半導体モジュール、および電子回路を製造するための方法 - Google Patents

半導体モジュール、および電子回路を製造するための方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高い熱流れを達成することができるようにする。
【解決手段】ダイ（２）が、ヒートシンク（３）に接触するための少なくとも１つの露出面（７）を有しているようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール、特に出力段、および電子回路を製造するための方法に関する。
米国特許第２００７／０２６２３８７号明細書に基づき、金属製の基板電極と、絶縁性の基板と、ヒートシンクとを備えた集積されたプリント配線板を有する出力半導体構成素子モジュールが公知である。ヒートシンクは複数の中間層を介してダイに結合されている。
米国特許第２００７／０２６２３８７号明細書
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の半導体モジュールおよび電子回路を製造するための方法を改良して、高い熱流れを達成することができるようにすることである。
この課題を解決するために本発明の半導体モジュールでは、炭化シリコンから成る少なくとも１つのダイが設けられており、該ダイに半導体構成素子が構造化されており、ダイが、ヒートシンクにコンタクティングするための少なくとも１つの露出面を有しているようにした。
さらに前記課題を解決するために本発明の第１の方法では、
支持基板に窓を加工し、
支持基板にダイを配置し、この場合、該ダイの所定の面が、窓をカバーしており、
環境影響に対して防護するためにダイの一部をカバーしかつ窓を露出するパッケージを配置するようにした。
さらに前記課題を解決するために本発明の第２の方法では、
冷気循環通路に接続するための水平方向に延びる孔を備えた凹設部を支持基板に加工し、
該支持基板にダイを、該ダイの所定の面が凹設部を閉鎖して中空室を形成するように配置するようにした。
さらに本発明の有利な実施態様では、露出面が、固着材料なしにヒートシンクに接触しているようにした。
さらに本発明の有利な実施態様では、ヒートシンクが、部分的に当該半導体モジュールのパッケージの外部に配置されている。
さらに本発明の有利な実施態様では、ヒートシンクが金属ブロックから成っており、該金属ブロックが露出面に接触した状態で配置されているか、またはヒートシンクが、冷却液を備えた冷却回路を有しており、冷却液が露出面と接触しているようにした。
さらに本発明の有利な実施態様では、露出面が、その表面積を増加させるための構造部を有しているようにした。
さらに本発明の有利な実施態様では、構造部が、毛細管力を介して冷却媒体を輸送するためのヒートパイプの一部であるようにした。
さらに本発明の有利な実施態様では、支持基板が、切欠きを有しており、ダイ２が露出面で切欠きに向かい合って配置されており、これにより、露出面と切欠きとが、中空室を形成しているようにした。
さらに本発明の有利な実施態様では、ダイに保護層が設けられており、該保護層が、半導体構成素子をカバーしていて、露出面の領域内に窓を有しているようにした。
本発明は、半導体モジュールに関する。この半導体モジュールは、炭化シリコンから成る少なくとも１つのダイを有しており、このダイに半導体構成素子が構造化されている。ダイは、外部のヒートシンクにコンタクティングするための少なくとも１つの露出面を有している。
本発明により、炭化シリコンから成る半導体モジュールへのヒートシンクの直接的な結合が可能となることが分かった。これにより、特に個々の熱橋の種々異なる材料の間の境界面によって制限されない高い熱流れを達成することができる。
半導体モジュールの部分断面図である。 別の半導体モジュールの部分断面図である。 さらに別の半導体モジュールの部分断面図である。
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
半導体モジュール１の実施形態を、図１の部分断面図を参照して以下に説明する。半導体モジュール１はダイ２と支持プレート４とを有している。さらに、半導体モジュール１はパッケージ５を有していてよい。半導体モジュール１には冷却体３を結合することができる。この冷却体３は、モノリシックに鋳造体またはフライス削り加工体、例えばアルミニウムからから成っていてよい。別の構成では、冷却体３は、半導体モジュール１の、組み込まれた構成部材である。
ダイ２は炭化シリコンで製作されている。炭化シリコンは、その僅かなバンドギャップおよび高い熱伝導性のため、特に出力半導体構成素子に適している。
慣用の構造化法では、炭化シリコンから成るウエーハ内に半導体構成素子を構造化することができる。次いで、ウエーハがダイ２にソーイングされる。ダイ２はパッケージングされていない、つまり追補的に被着される保護層または被覆体によって取り囲まれていない。
むき出しのダイ２は支持基板４（例えばプリント配線版）に配置されている。このプリント配線版４は半導体モジュール１の外部の接続部を有していてよい。プリント配線版４はこの外部の接続部を、ダイ２に設けられたコンタクトに接続している。
パッケージ５はダイ２を部分的に取り囲んでいる。有利には、ダイ２の、半導体構成素子のために構造化された領域１３が、パッケージ５によって封止されていて、環境影響から防護されている。パッケージ５はプラスチックまたは金属から成っていてよい。
パッケージ５は少なくとも１つの窓を有している。図１に示された実施形態では、パッケージ５が、ダイ２の上側しか取り囲んでいない。従って、このダイ２は、少なくとも１つの露出面７を有しており、この面７は環境に直接的に接触している。特に露出面７を、支持基板４、パッケージ５、保護層、拡散バリヤ等によってカバーしないことが提案されている。
図示された半導体モジュール１は、炭化シリコンがシリコンに比べて高い化学耐性を有していることを利用している。炭化シリコン基板を通る、周辺からのガスまたは外来原子のマイグレーションが僅かであり、これにより、ダイ２に設けられた半導体構成素子の機能性の著しい損傷が生じない。
外部の冷却体３は、パッケージ５に設けられた窓を通して、ダイ２の露出面７に直接的に接触して配置されてよい。これによりダイ２からの高い放熱を達成することができる。
外部の冷却体３とダイ２との間には、凸凹を補償するために熱伝導ペーストが供給されてよい。さらなる熱橋の介在は回避される。なぜならば、さらなる各境界面が固有の熱伝導性を低下させ得るからである。
半導体モジュール１の別の実施形態を、図２の部分断面図を参照して以下に説明する。
炭化シリコンをベースとしたダイ２は、その裏面で支持基板４に配置されている。固着層１６が、ダイ２を支持基板４に接続する。固着層１６は、例えば樹脂、接着剤、またははんだから成っていてよい。特に支持基板４とダイ２の基板との間に導電性の接続が必要である場合にははんだが適している。
裏面は、露出領域７で固着層１６によってカバーされていない。支持基板４には凹設部１７が加工されており、この凹設部１７は、その水平方向の寸法で、露出領域７に相応していてよい。ダイ２と支持基板４とは、露出領域７と凹設部１７とが中空室を支持基板４に規定するように互いに配置されている。
支持基板４内には、凹設部１７もしくは中空室に通じる水平方向に延びる管路１８が配置されていてよい。冷却回路システムを管路１８に接続することができる。冷却液は中空室内に流入することができ、露出面７の領域でのダイ２との直接的な接触によってダイ２から熱を放出することができる。同様に、凹設部１７は「ヒートパイプ」システムもしくは熱パイプシステムの一部であってよい。
図１の実施形態のように、パッケージがダイ２の上側をカバーしていてよい。図２に示された変化形態では、ダイ２の、構造化された領域１３しか保護層１５によってカバーされていない。
ダイ２の電気的なコンタクティングは、ボンディングワイヤ２０と、ダイ２およびプリント配線版４に設けられた相応のコンタクト２１、２２によって行うことができる。ボンディングワイヤ２０とコンタクト２１、２２とは露出していてよい、つまりパッケージの外部に配置されていてよい。
半導体モジュール１のさらなる実施形態を、図３の部分断面図を参照して以下に説明する。
露出面７は、その表面積を増加させるために深さプロファイルを有していてよい。これにより、冷却液がより大きな表面積を湿潤することができる。こうして、高められた放熱が可能となる。表面の構造化によって、「ヒートパイプ」システムの使用時に毛細管力を介して熱輸送媒体の還流を達成することができる。
露出面７は、ダイ２の上面に配置されていてよい。
凹設部１７は金属体で充填されていてよい。この金属体は、冷却液を通過させるための孔を有していてよい。
露出面７の構造化はダイ２の製造時に行うことができる。半導体構成素子１３の形成前または形成後に、マスクが裏面に被着される。エッチング法によって深さプロファイルがエッチングされる。
マスクは金属から成っていてよい。この金属製のマスクは、ダイ２に残されていてよく、支持基板４とダイ２との間のシール部もしくは結合部１６を形成することができる。この結合部は、例えば冷間溶接、焼結、または超音波溶接によって達成することができる。金属のマスクは、支持基板４とダイ２との間の電気的な接続部を提供することもできる。
半導体モジュール１を製造するための方法では、少なくとも以下のステップが提案されている。炭化シリコンウエーハに半導体構成素子が、特にエッチング法、打込み法、メタライゼーション法およびアニーリング法によって形成される。ウエーハの裏面にはマスクが被着されてよい。マスキングされていない領域で、ウエーハが肉薄化され、これにより局所的な凹設部が生じる。この局所的な凹設部は、のちに半導体モジュール１で露出する領域、つまり冷却液または冷却体３に接触する領域に配置されている。その後、半導体モジュール１がウエーハのソーイングによって個別化される。
支持基板４には、凹設部１７がエッチング法またはフライス削り法によって加工される。有利には、凹設部１７は、ダイ２の露出面７と水平方向で同一の寸法を有している。支持基板４には、固着層１６が少なくとも凹設部１７の縁に沿って被着される。この固着層１６は樹脂、はんだ、金属層等を有していてよい。
個々の半導体モジュール１が支持基板４に搭載される。この場合、半導体モジュール１がその露出面７で凹設部１７へ、またはパッケージ５におけるのちの窓へ方向付けられる。
ダイ２と支持基板４との間の接続部は加熱、圧力および／または超音波作用によって固着層１６に形成される。
１ 半導体モジュール、 ２ ダイ、 ３ 冷却体、 ４ 支持基板、 ５ パッケージ、 ７ 露出面、 １３ 構造化された領域、 １５ 保護層、 １６ 固着層、 １７ 凹設部、 １８ 管路、 ２０ ボンディングワイヤ、 ２１、２２ コンタクト

Claims (10)

  1. 半導体モジュールにおいて、炭化シリコンから成る少なくとも１つのダイ（２）が設けられており、該ダイ（２）に半導体構成素子が構造化されており、ダイ（２）が、ヒートシンク（３）にコンタクティングするための少なくとも１つの露出面（７）を有していることを特徴とする、半導体モジュール。
  2. 露出面（７）が、固着材料なしにヒートシンク（３）に接触している、請求項１記載の半導体モジュール。
  3. ヒートシンクが、部分的に当該半導体モジュール（１）のパッケージ（５）の外部に配置されている冷却体（３）である、請求項１または２記載の半導体モジュール。
  4. ヒートシンク（３）が金属ブロックから成っており、該金属ブロックが露出面（７）に接触した状態で配置されているか、またはヒートシンク（３）が、冷却液を備えた冷却回路を有しており、冷却液が露出面（７）と接触している、請求項１または２記載の半導体モジュール。
  5. 露出面（７）が、その表面積を増加させるための構造部を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体モジュール。
  6. 構造部が、毛細管力を介して冷却媒体を輸送するためのヒートパイプの一部である、請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体モジュール。
  7. 支持基板（４）が、切欠き（１７）を有しており、ダイ（２）が露出面（７）で切欠き（１７）に向かい合って配置されており、これにより、露出面（７）と切欠き（１７）とが、中空室を形成している、請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体モジュール。
  8. ダイ（２）に保護層（１５）が設けられており、該保護層（１５）が、半導体構成素子（１３）をカバーしていて、露出面（７）の領域内に窓を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体モジュール。
  9. 半導体モジュールを製造するための方法において、当該方法が、以下のステップ：すなわち、
    支持基板（４）に窓を加工し、
    支持基板（４）にダイ（２）を配置し、この場合、該ダイ（２）の所定の面が、窓をカバーしており、
    環境影響に対して防護するためにダイ（２）の一部をカバーしかつ窓を開放するパッケージ（５，１５）を配置する：
    を備えていることを特徴とする、半導体モジュールを製造するための方法。
  10. 半導体モジュールを製造するための方法において、当該方法が、以下のステップ：すなわち、
    冷却回路に接続するための水平方向に延びる孔（１８）を備えた凹設部（１７）を支持基板（４）に加工し、
    該支持基板（４）にダイ（２）を、該ダイ（２）の所定の面が凹設部（１７）を閉鎖して中空室を形成するように配置する：
    を備えていることを特徴とする、半導体モジュールを製造するための方法。
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